KR20140004856A - 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저렴한 비용으로 간단하게 설치할 수 있고, 저항을 최소화하여 일정한 회전력을 유지시키며, 조류의 방향과 관계없이 가동시킬 수 있도록 한 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차에 관한 것이다.
본 발명은 속이 빈 중공형으로 형성되는 수차축(10); 상기 수차축(10)의 양측에 각각 부착되어 동심원상으로 적정간격을 두고 다수의 축홈(21)을 구비하는 회전원판(20); 상기 양측 회전원판(20)의 축홈(21)에 베어링(B1)으로 회전가능하게 각각 축설되는 다수의 날개축(30); 상기 양측 다수의 날개축(30)에 볼트(B2)체결로 각각 고정되는 회전소켓(41)을 구비하여 수압으로 회전원판(20)을 회전시키는 반원통형으로 형성된 다수의 수차날개(40); 상기 수차축(10)의 양측 외주연에 적정간격을 두고 방사상으로 각각 돌출되어 수차날개(40)의 회전을 정지시키는 다수의 회전방지용 스토퍼(50)를 포함하여 구성된다.

Description

수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차{Water turbine with active type wing semi-cylindrical water-powergeneration}

본 발명은 유속이 빠른 장소(강이나 또는 조수간만에 차가 큰 지역)의 물속에 설치되어 자연에 의해 발생된 유속으로 발전기를 가동시키는 수력발전기용 수차에 관한 것으로, 더 상세하게는 저렴한 비용으로 간단하게 설치하여 사용할 수 있도록 하고, 저항을 최소화하여 일정한 회전력을 유지시킬 수 있도록 하며, 조류의 방향과 관계없이 발전기를 가동시킬 수 있도록 한 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차에 관한 것이다.

일반적으로 수차(水車)는 물의 위치에너지를 기계적 운동에너지로 전환시키는 회전 장치로, 이러한 수차의 종류에는 물의 작용방식에 따라 중력수차(重力水車),충동수차(衝動水車),반동수차(反動水車)의 3종으로 구별할 수가 있다.

먼저, 중력수차는 댐과 같이 주로 중력과 관계된 낙차에 의해 움직이며 이를 운동에너지로 변환하는 방식으로 높은 곳에서 떨어지는 물의 위치에너지를 수차의 날개로 받아서 그 힘으로 수차를 회전시켜 발전기를 돌리는 형식으로써 흔히 말하는 물레방아식 수차이다.

상기 방식은 물의 낙차가 있는 곳이나 혹은 별도로 물의 길을 돌려 물레방아를 설치하는 방식으로 수차의 구조는 간단하나 물의 위치에너지를 이용하기 위하여 물의 방향 및 높낮이를 맞추기 위해 별도의 토목 구조물을 필요로 하며, 또한 수차를 설치할 수 있는 곳이 한정되는 결점이 있다.

그다음으로 충동수차는 노즐에서 분출되는 물을 수차의 날개에 뿜어 그 충동력으로 수차를 회전시키는 방식이다.

충동수차는 상기 언급한 중력식 수차와 같이 물의 에너지를 수차에 충돌시키기 위해 별도의 기계 장치와 상기의 항목들을 설치하기 위해 별도의 토목 구조물이 반듯이 필요로 하는 결점이 있다.

마지막으로, 반동수차는 바퀴에 달린 날개로 떨어지는 물의 속도와 압력에 의하여 회전하는 수차를 말한다.

상기와 같이 종래의 방식의 수차를 사용하기 위해서는 물의 낙차가 있는 곳, 또는 인공적인 별도의 토목 구조물이 있어야만 작동할 수가 있는 결점이 있다.

또한 설치비가 다소 많이 발생되고 있으며, 작동방식에 따라 설치할 수 있는 장소도 한정되는 결점이 있다.

더욱이 상기 수차들은 물속에 완전히 잠겨서 사용될 경우 수차 회전방향의 반대방향인 수차 날개 뒷부분에 물의 소용돌이 현상이 발생되고 발생된 소용돌이 현상에 의해 수차의 회전에 방해를 주게 되어 회전력이 일정하지 못한 결점이 있다.

이와 같이 종래의 수력발전기용 수차는 구조가 복잡하기 때문에 제작이 어렵고 많은 비용이 소요되고 설치작업이 까다로운 문제점이 있었으며, 수차에 의한 회전저항력이 크게 때문에 회전력이 일정하지 못한 문제점이 있었으며, 조류의 방향에 따라 설치해야 불편한 문제점이 있었으며, 구조적으로 크기가 크고 연속적인 발전이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해 발명한 것으로, 기본적으로 유속이 빠른 강이나 조수간만에 차가 큰 지역의 물속에 설치하여 자연에 의해 발생된 유속으로 발전기를 가동시킬 수 있도록 하고, 구조가 간단하여 제작이 쉽고 저렴한 비용으로 간단하게 설치하여 사용할 수 있도록 하며, 수차에 의한 회전저항력을 최소화하여 일정한 회전력을 유지시킬 수 있도록 하며, 조류의 방향에 관계없이 발전기를 가동시킬 수 있도록 하고, 크기를 소형화 할 수 있는 동시에 연속적으로 발전시킬 수 있도록 한 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 속이 빈 중공관으로 수차축을 형성하고, 상기 수차축의 양측에 동심원상으로 적정간격을 두고 다수의 축홈이 구비된 회전원판을 각각 부착하며, 상기 양측 회전원판의 축홈에 날개축을 베어링으로 회전가능하게 각각 축설하고, 상기 양측 다수의 날개축에 수압으로 회전원판을 회전시키는 반원통형으로 형성된 수차날개의 회전소켓을 볼트체결로 각각 고정하며, 상기 수차축의 양측 외주연에 수차날개의 회전을 정지시키는 다수의 회전방지용 스토퍼를 각각 돌출시킨 것이다.

본 발명의 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차에 따르면, 구조를 단순화할 수 있기 때문에 고장이 적고 저렴한 비용으로 어느 곳이나 간단하게 설치할 수 있으며, 고장이 적어 수명을 연장시킬 수 있으며, 저항을 최소화하여 일정한 회전력을 유지시킬 수 있으며, 조류의 방향과 관계없이 발전기를 가동시킬 수 있으며, 크기를 소형화 할 수 있으며, 조력이 일정하게 발생하지 않더라도 다음 한주기 동안 일정한 회전력을 유지할 수 있으며, 연속적으로 발전할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 사용상태를 보인 단면도.
도 2는 본 발명의 구조를 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 사시도.
도 4는 본 발명의 분해사시도.
도 5는 본 발명의 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 수차날개의 측면도.
도 7a,7b는 본 발명에 따른 수차날개의 작동을 보인 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 수차날개의 회전방식을 보인 예시도.

이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차(S)는 도 1 내지 도 8에 도시되는 바와 같이, 속이 빈 중공형으로 형성되는 수차축(10); 상기 수차축(10)의 양측에 각각 부착되어 동심원상으로 적정간격을 두고 다수의 축홈(21)을 구비하는 회전원판(20); 상기 양측 회전원판(20)의 축홈(21)에 베어링(B1)으로 회전가능하게 각각 축설되는 다수의 날개축(30); 상기 양측 다수의 날개축(30)에 볼트(B2)체결로 각각 고정되는 회전소켓(41)을 구비하여 수압으로 회전원판(20)을 회전시키는 반원통형으로 형성된 다수의 수차날개(40); 상기 수차축(10)의 양측 외주연에 적정간격을 두고 방사상으로 각각 돌출되어 수차날개(40)의 회전을 정지시키는 다수의 회전방지용 스토퍼(50)를 포함하여 구성된 것을 그 기술적 구성상의 기본적인 특징으로 한다.

여기서, 본 발명에 따른 수력발전용 수차(S)는 유속이 빠른 장소(강이나 또는 조수간만에 차가 큰 지역)의 물속에 설치되어 자연에 의해 발생된 유속으로 발전기(100)를 가동시키는 것으로, 이러한 수차(S)는 수차축(10),회전원판(20),날개축(30),수차날개(40) 및 스토퍼(50)로 이루어진다. 이때, 본 발명에 따르면 도 1에서와 같이 수차(S)의 양측에는 발전기(100)가 각각 배치되고, 이러한 발전기(100)에는 메인고정축(110),회전자(120),고정자(130),스퍼기어(140),관성회전체축(150),관성회전체(160)가 각각 구비되고, 또한 발전기(100)의 커버(170)에는 연결고리(180)가 구비된다.

상기 수차축(10)은 도 1에서와 같이 발전기(100)의 메인고정축(110)에 끼워지는 것으로, 이러한 수차축(10)은 속이 빈 중공형으로 형성된다.

상기 회전원판(20)은 수차축(10)의 양측에 각각 일체형으로 부착되는 것으로, 이러한 양측 회전원판(20)의 내면에는 동심원상으로 적정간격을 두고 다수의 축홈(21)이 각각 형성되고, 양측 회전원판(20)의 외면에는 구동기어(22)가 각각 형성된다. 이때, 상기 양측 회전원판(20)은 양측 발전기(100)의 회전자(120)에 각각 연결되어 일체로 회전하고, 상기 양측 회전원판(20)의 중앙부에는 발전기(100)의 메인구동축(110)에 베어링으로 회전가능하게 축설되는 축공(23)이 형성되며, 상기 구동기어(22)에는 발전기(100)의 스퍼기어(140)가 치합된다.

상기 다수의 날개축(30)은 양측 회전원판(20)의 축홈(21)에 베어링(B1)으로 회전가능하게 각각 축설되는 것으로, 이러한 양측 다수의 날개축(30)은 수차날개(40)를 회전가능하게 지지하는 역할을 수행한다.

상기 다수의 수차날개(40)는 반원통형의 곡면으로 형성되어 조류의 수압으로 회전원판(20)을 회전시키는 것으로, 이러한 수차날개(40)의 양측에는 양측 날개축(30)에 볼트(B2)체결로 각각 고정되는 회전소켓(41)이 구비된다.

본 발명에 따르면 도 6에서와 같이 상기 수차날개(40)는 회전소켓(41)을 사이에 두고 형성되는 외측날개(42)와 내측날개(43)로 이루어지고, 상기 외측날개(42)의 길이(L1)는 내측날개(43)의 길이(L2)보다 길게 형성된다.

또한 본 발명에 따르면 도 2에서와 같이 상기 수차날개(40)와 수차축(10) 사이에는 간극(G)이 형성된다.

상기 다수의 회전방지용 스토퍼(50)는 수차축(10)의 양측 외주연에 적정간격을 두고 방사상으로 각각 일체형으로 돌출되는 것으로, 이러한 다수의 스토퍼(50)는 수차날개(40)의 회전을 정지시키는 역할을 수행한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전체적인 작동관계를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7a와 도 7b는 조류의 방향에 따른 수차날개(40)의 작동을 보인 것으로, 먼저 도 7a에서와 같이 우측에서 좌측으로 조류의 방향이 진행될 때, (3),(4),(5)에 위치한 수차날개(40)는 수압에 의해 역방향(반시계방향)으로 회전하면서 스토퍼(50)로부터 이격되고 이로 인해 (3),(4),(5)에 위치한 수차날개(40)에는 수압이 크게 작용하지 않지만, 반대로 (1),(2),(6)에 위치한 수차날개(40)는 스토퍼(50)에 걸린 상태에서 조류의 큰 수압을 받아 시계방향으로 회전하기 때문에 이를 통해 결과적으로 회전원판(20)과 수차축(10) 및 스토퍼(50)는 시계방향으로 동시에 회전하게 되고, 회전원판(20)의 회전력은 발전기(100)의 회전자(120)에 전달되어 전기가 생산된다.

다음, 도 7b에서와 같이 좌측에서 우측으로 조류의 방향이 진행될 때, (1),(2),(6)에 위치한 수차날개(40)는 수압에 의해 역방향(반시계방향)으로 회전하면서 스토퍼(50)로부터 이격되고 이로 인해 (1),(2),(6)에 위치한 수차날개(40)에는 수압이 크게 작용하지 않지만, 반대로 (3),(4),(5)에 위치한 수차날개(40)는 스토퍼(50)에 걸린 상태에서 조류의 큰 수압을 받아 시계방향으로 회전하기 때문에 이를 통해 결과적으로 회전원판(20)과 수차축(10) 및 스토퍼(50)는 시계방향으로 동시에 회전하게 되고, 회전원판(20)의 회전력은 발전기(100)의 회전자(120)에 전달되어 전기가 생산된다.

본 발명에 따른 수차날개(40)의 작동방식은 상술한 바와 같이, 수압이 작용하는 방향에 따라 수차날개(40)가 수압을 받아 회전하고, 이와 같이 수압을 받아 만들어진 운동에너지가 스토퍼(50)를 통해 회전원판(20)과 수차축(10)에 전달되어 회전하는 방식이다.

여기서, 본 발명에 따른 수차날개(40)의 회전방식의 기술적 특징은 도 6에서와 같이 외측날개(42)의 길이(L1)가 내측날개(43)의 길이(L2)보다 길게 형성되어 있어, 도 8에서와 같이 수차날개(40)가 (a)에서 (d)로 갈 때 수압을 모두 받고 있다가 (d)지점에 이르러 외측날개(42) 뒷부분에 수압을 받아 내측날개(43)가 역으로 회전을 하여 조류의 방향과 일직선이 된다.

계속하여 회전을 하면 (d)에서 (g)로 갈수록 조류의 압력을 받는 범위가 내측날개(43)의 면적이 외측날개(42)보다 넓기 때문에 점차적으로 내측날개(43)가 수압을 더 많이 받게 되고 따라서 (g)방향으로 가면서 점점 내측날개(43)는 스토퍼(50)쪽으로 이동하게 된다.

더욱 회전을 하면 내측날개(43)가 스토퍼(50)와 완전히 접합되어 조류의 마찰을 반원통형인 수차날개(40)의 전면부에 모두 받게 되는 것이다.

반원통형인 수차날개(40)에 전달된 조류의 에너지는 스토퍼(50)를 통해 회전원판(20)과 수차축(10)에 전달되어 회전을 하게 된다.

상기와 같이 수차날개(40)가 회전을 하면 수압을 받아 돌아간 후 역으로 수압을 받을 때 내측날개(43)가 조류의 방향으로 회전하기 때문에 수차날개(40)는 뒷면에서 발생되는 와류현상을 감소시켜 회전원판(20)과 수차축(10)의 회전에 최대한 많은 조류의 에너지를 운동에너지로 전환시켜 발전기(100)에 보낼 수 있다.

따라서 이러한 본 발명의 수차(S)는 기본적으로 유속이 빠른 강이나 조수간만에 차가 큰 지역의 물속에 설치하여 자연에 의해 발생된 유속으로 발전기(100)를 가동시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명의 수차(S)는 구조가 간단하여 제작이 쉽고 저렴한 비용으로 간단하게 설치하여 사용할 수 있으며, 수차날개(40)의 회전에 따라 발생하는 와류현상에 의한 회전저항력을 최소화하여 일정한 회전력을 유지시킬 수 있으며, 조류의 방향에 관계없이 발전기(100)를 가동시킬 수 있으며, 크기를 소형화 할 수 있는 동시에 연속적으로 발전시킬 수 있는 장점이 있다.

그리고 본 발명은 수차(S)의 양측으로 발전기(100)를 각각 배치하여 사용할 수 있기 때문에 구조적으로 발전 효율을 한층 더 높일 수 있으며, 발전기(100)와 수차(S)가 한 몸으로 일체화되기 때문에 정비 및 교체가 쉽고, 발전기(100)의 연결고리(180)를 통해 여러 대를 동시에 많이 설치할 수 있으며, 바지선 등에 장착하여 간편하게 이동할 수 있는 장점이 있다.

아울러 본 발명의 수차(S)는 수차날개(40)와 수차축(10) 사이에는 간극(G)이 형성되고 또한 수차날개(40)의 배면이 회전운동 시 전면을 커버하기 때문에 그물과 같은 이물질이 끼는 것을 막아주는 장점이 있다.

10 : 수차축 20 : 회전원판
21 : 축홈 22 : 구동기어
30 : 날개축 40 : 수차날개
41 : 회전소켓 42 : 외측날개
43 : 내측날개 50 : 스토퍼

Claims (4)

1. 속이 빈 중공형으로 형성되는 수차축(10); 상기 수차축(10)의 양측에 각각 부착되어 동심원상으로 적정간격을 두고 다수의 축홈(21)을 구비하는 회전원판(20); 상기 양측 회전원판(20)의 축홈(21)에 베어링(B1)으로 회전가능하게 각각 축설되는 다수의 날개축(30); 상기 양측 다수의 날개축(30)에 볼트(B2)체결로 각각 고정되는 회전소켓(41)을 구비하여 수압으로 회전원판(20)을 회전시키는 반원통형으로 형성된 다수의 수차날개(40); 상기 수차축(10)의 양측 외주연에 적정간격을 두고 방사상으로 각각 돌출되어 수차날개(40)의 회전을 정지시키는 다수의 회전방지용 스토퍼(50)를 포함하는 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 양측 회전원판(20)의 외면에는 구동기어(22)가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 수차날개(40)는 회전소켓(41)을 사이에 두고 형성되는 외측날개(42)와 내측날개(43)로 이루어지고, 상기 외측날개(42)의 길이(L1)는 내측날개(43)의 길이(L2)보다 길게 형성된 것을 특징으로 하는 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 수차날개(40)와 수차축(10) 사이에는 간극(G)이 형성된 것을 특징으로 하는 수력발전용 반원통형 능동식 날개가 달린 수차.

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